EP0535523A1 - Integrated optical polarisation splitter - Google Patents

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EP0535523A1
EP0535523A1 EP92116277A EP92116277A EP0535523A1 EP 0535523 A1 EP0535523 A1 EP 0535523A1 EP 92116277 A EP92116277 A EP 92116277A EP 92116277 A EP92116277 A EP 92116277A EP 0535523 A1 EP0535523 A1 EP 0535523A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rib
waveguide
integrated optical
polarization
stage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92116277A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernd Dipl.-Ing. Sauer
Gustav Dr. Müller
Lothar Dipl.-Phys. Stoll
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0535523A1 publication Critical patent/EP0535523A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/27Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2753Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
    • G02B6/2773Polarisation splitting or combining

Definitions

  • the invention relates to an integrated optical polarization splitter.
  • Such integrated optical polarization splitters can be implemented with optical directional couplers.
  • the invention specified in claim 1 is based on the object of specifying an integrated optical polarization splitter which, compared to an integrated optical polarization splitter constructed from a straight optical directional coupler, has a shorter overall length and places lower demands on manufacturing tolerances.
  • the functioning of the integrated optical polarization splitter according to the invention is based on the polarization selectivity of an in particular uniformly curved optical waveguide.
  • the mixed-polarized light is coupled in at one end of the curved rib waveguide with the two-stage rib and at another end face of the rib waveguide the two mutually orthogonal polarization directions are spatially separated decoupled from each other, wherein a stage of the two-stage rib lies between the two polarization directions coupled separately from one another.
  • the polarization splitter according to the invention can be implemented in glasses, semiconductors or organic materials.
  • the polarization splitter according to the invention can be implemented in III-V semiconductor materials based on GaAs or InP, the two-stage rib being produced by epitaxial growth of a vertical layer sequence and the lateral structuring of the two-stage rib being able to be carried out by wet or dry etching processes.
  • the rib waveguide can be produced vertically here by sputtering the respective layer sequence onto the substrate.
  • An oxidized silicon wafer is suitable as the substrate.
  • the wavelengths with which the polarization splitter according to the invention is operated are in the optical range.
  • the polarization splitter according to the invention has the following advantages: It can be realized with a length corresponding to the length of the curved rib waveguide, which compared to the length of one with a straight integrated optical directional coupler with the same layer sequence and the same geometry parameters (polarization separation and rib height from G. Müller, L. Stoll, G. Schulte-Roth, U. Wolff "Low current plasma effect optical switch an InP", IEE Electron. Lett. 1990, Vol. 26, p.115-116) realized integrated optical Polarization splitter is only about a third. Smaller integrated optical circuits can thus be implemented with the polarization splitter according to the invention.
  • the component is purely passive, i.e. no complex contacting of waveguides is required, as is the case, for example, in the case of Ti-LiNbO3-y branching devices (see J.Finak, GL Yip "An Optical TE-TM mode splitter and modulator using a Ti-LiNbO3Y - junction waveguide", 4. Intern. Conf. On Int. Optics and Optical fiber Commm., Tokyo, 1983, Poster Session 29D3-5), which separate the polarization with the help of the electro-optical effect, is the case.
  • the curved rib waveguide with the two-step rib of the polarization splitter according to the invention can consist of the same vertical layer composition as a coupling and / or coupling waveguide connected to the front ends, so that the polarization splitter according to the invention and the coupling and decoupling waveguides are structured laterally in only two etching steps can.
  • Conventional short optical directional couplers require, for example, a gold layer in the coupling area (see P.Albrecht, M. Hamacher, H. Heidrich, D. Hoffmann, H.-P.Nolting, CM Weinert "TE / TM mode splitters on InGaAsP / InP", IEEE Photonics Techn. Lett. 1990, Vol. 2, pp. 114-115).
  • the arc length only has to be set to one step of the two-step rib on only one side of the rib. This increases the number of free parameters for optimizing the component.
  • the setting of the length of the curved rib waveguide can be determined for a given material and given geometry parameters by the radius of curvature of the curved rib waveguide.
  • the radius of curvature is for uncritical tuning of the Component suitable.
  • the polarization splitter according to the invention can be dimensioned so that the TE mode couples over and the TM mode passes through the rib waveguide undisturbed, and so that the TM mode couples over and the TE mode passes through the rib waveguide undisturbed.
  • the substrate is designated 1.
  • a surface-like wave-guiding layer 20 is formed under the surface 10 of this substrate 1.
  • a uniformly curved rib 21 with a two-stage profile is formed on the surface 10 above the wave-guiding layer 20 and, together with the wave-guiding layer 20, defines the curved waveguide 2.
  • the rib 21 with a two-step profile has a lower first step 210 with an outer edge 211 facing away from the center of curvature of the curved rib 21 and an inner edge 212 facing this center of curvature M and one Width W between the outer edge 211 and the inner edge 212 and also a second step 213 applied on the first step with an outer edge 214 facing away from the center of curvature and an inner edge 215 facing this center of curvature, the outer edge 214 of the second rib 213 being a distance in the radial direction r B from the outer edge 211 of the first step 210.
  • the waveguide in the rib waveguide 2 is determined by these outer edges 211 and 214 of the rib 21 alone.
  • the influence of the two inner edges 212 and 215 of the rib 21 can be neglected in this case.
  • a polarization splitter configuration can be set by two excessive refractive indexes on the outer edges 211 and 214 for a polarization direction, for example the TE polarization.
  • the arc length L of the rib waveguide 2 can be approximately calculated to r0 / ( ⁇ 0- ⁇ 1), with ⁇ 0 and ⁇ 1 the phase constant of a zero and guided in the waveguide 2 first supermodes is.
  • a waveguide mode which is coupled in at the inner edges 212 and 215 of the ribbed waveguide 2 will emerge at the outer edges 211 and 214 of the ribbed waveguide 2 after propagation over the arc length.
  • the rib waveguide 2 is detuned due to other effective refractive indices for this polarization direction, i.e. there is no coupling of light between the outer edges 214 and 211 of the rib 21 with a two-stage profile.
  • the curved rib waveguide 2 can be used to spatially separate electromagnetic fields of different polarization directions at a distance which is determined by the distance B between the two outer edges 211 and 214 of the rib 21 with a two-stage profile.
  • the etching stop layer in the area of the first step 210 has a thickness of 0.3 ⁇ m, for example, while outside the area of the step 210 it only has a thickness of 0.1 ⁇ m.
  • the radial distance B between the outer edge 214 and the outer edge 211 of the rib 21 is, for example, 4 ⁇ m.
  • the radius of curvature r0 of the ribbed waveguide 2 is, for example, 1.1 mm and its arc length L is at least 300 ⁇ m.
  • the arc length L 300 ⁇ m of the curved rib waveguide 2 is required.
  • the wave-guiding layer 2 made of GaInAsP with a thickness of 0.4 ⁇ m, the etching stop layer made of GaInAsP and the layer made of InP applied thereon can be produced epitaxially in a simple manner.
  • the etching depths given in the example according to FIG. 2 are selected according to the rules given above, the other parameters correspond to typical dimensions of the integrated optics.
  • FIG. 2 also shows the effective refractive index n eff for the TE-polarized and TM-polarized light in the area under the second step 213, in the area between the outer edge 214 of the second step 213 and the outer edge 211 of the first step 210 and outside the rib 21 indicated with a two-stage profile.
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment according to FIG. 2, wherein a coupling-in waveguide 3 and two coupling-out waveguides 4 and 5 are coupled to the curved rib waveguide 2 with the rib 21 with a two-stage profile on an input-side end face 23, and two coupling-out waveguides 4 and 5, one at a time
  • Outcoupling waveguide 4 is coupled in the area of the second stage 213 and is used for outcoupling the TM-polarized light during the other coupling-out waveguide 5 is coupled in the area of the first stage 210 and is used for coupling out the TE-polarized light spatially separated from the TM-polarized light.
  • the coupling-in waveguide 3 is defined by a rib 31 formed in the plane of the second stage 213.
  • the output waveguide 4 is similarly defined by a rib 41 formed in the plane of the second stage 213.
  • the coupling-out waveguide 5 is defined by a rib 51 formed in the plane of the first stage 210.
  • the field distribution of the TM-polarized light guided in the coupling-out waveguide 4 is indicated by the region 40, while the field distribution of the TE-polarized light guided in the coupling-out waveguide 5 is indicated by the region 50.

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Abstract

As compared with a known integrated optical polarisation splitter composed of a straight optical directional coupler, an integrated optical polarisation splitter is intended to exhibit a shorter overall length and to impose less stringent requirements on production tolerances. This is achieved by design of the integrated optical polarisation splitter in the form of a curved rib waveguide (2) integrated on a substrate (1), with a wave-conducting layer (20) and a curved rib (21) which is formed on or over the wave-conducting layer (20) and which has a two-step profile.

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert optischen Polarisationsteiler.The invention relates to an integrated optical polarization splitter.

Mit derartigen integriert optischen Polarisationsteilern ist es möglich, gemischt polarisiertes Licht, das an einem Eingang des Polarisationsteilers eingespeist wird, in seine zwei voneinander unabhängigen transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisierten Feldkomponenten zu separieren, wobei die beiden separierten elektromagnetischen Felder mit zueinander orthogonaler Polarisation an zwei räumlich getrennten Ausgängen des Polarisationsteilers verfügbar sind.With such integrated optical polarization splitters, it is possible to separate mixed-polarized light, which is fed in at an input of the polarization splitter, into its two mutually independent, transversely electrically (TE) and transversely magnetically (TM) polarized field components, the two separated electromagnetic fields with mutually orthogonal polarization are available at two spatially separate outputs of the polarization splitter.

Derartige integriert optische Polarisationsteiler können mit optischen Richtkopplern realisiert werden.Such integrated optical polarization splitters can be implemented with optical directional couplers.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integriert optischen Polarisationsteiler anzugeben, der gegenüber einem aus einem geraden optischen Richtkoppler aufgebauten integriert optischen Polarisationsteiler eine kürzere Baulänge aufweist und geringere Anforderungen an Fertigungstoleranzen stellt.The invention specified in claim 1 is based on the object of specifying an integrated optical polarization splitter which, compared to an integrated optical polarization splitter constructed from a straight optical directional coupler, has a shorter overall length and places lower demands on manufacturing tolerances.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen integriert optischen Polarisationsteilers beruht auf der Polarisationsselektivität einer insbesondere gleichförmig gekrümmten optischen Wellenführung. Das gemischt polarisierte Licht wird an einem Ende des gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiters mit der zweistufigen Rippe eingekoppelt und an einem anderen stirnseitigen Ende des Rippenwellenleiters werden die beiden zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen räumlich getrennt voneinander ausgekoppelt, wobei eine Stufe der zweistufigen Rippe zwischen den beiden voneinander getrennt angekoppelten Polarisationsrichtungen liegt.The functioning of the integrated optical polarization splitter according to the invention is based on the polarization selectivity of an in particular uniformly curved optical waveguide. The mixed-polarized light is coupled in at one end of the curved rib waveguide with the two-stage rib and at another end face of the rib waveguide the two mutually orthogonal polarization directions are spatially separated decoupled from each other, wherein a stage of the two-stage rib lies between the two polarization directions coupled separately from one another.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers kann in Gläsern, Halbleitern oder organischen Materialien erfolgen.The polarization splitter according to the invention can be implemented in glasses, semiconductors or organic materials.

Der erfindungsgemäße Polarisationsteiler kann in III-V-Halbleitermaterialien auf GaAs- oder InP-Basis realisiert werden, wobei die zweistufige Rippe durch epitaktisches Aufwachsen einer vertikalen Schichtfolge erzeugt und die laterale Strukturierung der zweistufigen Rippe durch Naß- oder Trockenätzprozesse erfolgen kann.The polarization splitter according to the invention can be implemented in III-V semiconductor materials based on GaAs or InP, the two-stage rib being produced by epitaxial growth of a vertical layer sequence and the lateral structuring of the two-stage rib being able to be carried out by wet or dry etching processes.

Eine Realisierung des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers in Gläsern ist beispielsweise mit Hilfe der Materialzusammensetzung SiO₂-Al₂O₃ möglich. Der Rippenwellenleiter kann hier vertikal durch Aufsputtern der jeweiligen Schichtenfolge auf das Substrat erzeugt werden. Als Substrat ist ein oxidierter Siliziumwafer geeignet.A realization of the polarization splitter according to the invention in glasses is possible, for example, with the aid of the material composition SiO₂-Al₂O₃. The rib waveguide can be produced vertically here by sputtering the respective layer sequence onto the substrate. An oxidized silicon wafer is suitable as the substrate.

Die Wellenlängen, mit denen der erfindungsgemäße Polarisationsteiler betrieben wird, liegen im optischen Bereich.The wavelengths with which the polarization splitter according to the invention is operated are in the optical range.

Der erfindungsgemäße Polarisationsteiler weist folgende Vorteile auf:
Er ist mit einer der Länge des gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiters entsprechender Baulänge realisierbar, die gegenüber der Baulänge eines mit einem geraden integriert optischen Richtkopplers bei gleicher Schichtfolge und gleiche Geometrieparametern (Polarisationsseparation und Rippenhöhe bei G. Müller, L. Stoll, G. Schulte-Roth, U. Wolff "Low current plasma effect optical switch an InP", IEE Electron. Lett. 1990, Vol. 26, S.115-116) realisierten integriert optischen Polarisationsteiler nur etwa ein Drittel beträgt. Damit lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Polarisationsteiler kleinere integriert optische Schaltkreise realisieren.
The polarization splitter according to the invention has the following advantages:
It can be realized with a length corresponding to the length of the curved rib waveguide, which compared to the length of one with a straight integrated optical directional coupler with the same layer sequence and the same geometry parameters (polarization separation and rib height from G. Müller, L. Stoll, G. Schulte-Roth, U. Wolff "Low current plasma effect optical switch an InP", IEE Electron. Lett. 1990, Vol. 26, p.115-116) realized integrated optical Polarization splitter is only about a third. Smaller integrated optical circuits can thus be implemented with the polarization splitter according to the invention.

Das Bauelement ist rein passiv, d.h. es sind keine aufwendigen Kontaktierungen von Wellenleitern erforderlich, wie dies beispielsweise im Falle von Ti-LiNbO₃-y-Verzweigern (siehe J.Finak, G.L. Yip "An Optical TE-TM mode splitter and modulator using a Ti-LiNbO₃Y - junction waveguide", 4. intern. Conf. on Int. Optics and Optical fiber Commm., Tokio, 1983, Poster Session 29D3-5), welche die Polarisation mit Hilfe des elektrooptischen Effektes trennen, der Fall ist.The component is purely passive, i.e. no complex contacting of waveguides is required, as is the case, for example, in the case of Ti-LiNbO₃-y branching devices (see J.Finak, GL Yip "An Optical TE-TM mode splitter and modulator using a Ti-LiNbO₃Y - junction waveguide", 4. Intern. Conf. On Int. Optics and Optical fiber Commm., Tokyo, 1983, Poster Session 29D3-5), which separate the polarization with the help of the electro-optical effect, is the case.

Der gekrümmt verlaufende Rippenwellenleiter mit der zweistufigen Rippe des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers kann aus der gleichen vertikalen Schichtzusammensetzung wie ein an die stirnseitigen Enden angeschlossener Ein- und/oder Auskoppelwellenleiter bestehen, so daß der erfindungsgemäße Polarisationsteiler und die Ein- und Auskoppelwellenleiter in nur zwei Ätzschritten lateral strukturiert werden kann. Konventionelle kurze optische Richtkoppler dagegen benötigen beispielsweise eine Goldschicht im Koppelbereich (siehe P.Albrecht, M. Hamacher, H. Heidrich, D. Hoffmann, H.-P.Nolting, C.M. Weinert "TE/TM mode splitters on InGaAsP/InP", IEEE Photonics Techn. Lett. 1990, Vol. 2, S. 114-115).The curved rib waveguide with the two-step rib of the polarization splitter according to the invention can consist of the same vertical layer composition as a coupling and / or coupling waveguide connected to the front ends, so that the polarization splitter according to the invention and the coupling and decoupling waveguides are structured laterally in only two etching steps can. Conventional short optical directional couplers, on the other hand, require, for example, a gold layer in the coupling area (see P.Albrecht, M. Hamacher, H. Heidrich, D. Hoffmann, H.-P.Nolting, CM Weinert "TE / TM mode splitters on InGaAsP / InP", IEEE Photonics Techn. Lett. 1990, Vol. 2, pp. 114-115).

Zur Trennung der beiden Polarisationsrichtungen muß die Bogenlänge nur einer Stufe der zweistufigen Rippe auf nur einer Seite der Rippe eingestellt werden. Dadurch erhöht sich die Zahl der freien Parameter zur Optimierung des Bauelements.To separate the two directions of polarization, the arc length only has to be set to one step of the two-step rib on only one side of the rib. This increases the number of free parameters for optimizing the component.

Die Einstellung der Länge des gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiters kann bei vorgegebenem Material und vorgegebenen Geometrieparametern durch den Krümmungsradius des gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiters festgelegt werden. Dabei ist der Krümmungsradius zur unkritischen Abstimmung des Bauelements geeignet.The setting of the length of the curved rib waveguide can be determined for a given material and given geometry parameters by the radius of curvature of the curved rib waveguide. The radius of curvature is for uncritical tuning of the Component suitable.

Der erfindungsgemäße Polarisationsteiler läßt sich sowohl so dimensionieren, daß der TE-Mode überkoppelt und der TM-Mode den Rippenwellenleiter ungestört durchläuft, als auch so, daß der TM-Mode überkoppelt und der TE-Mode den Rippenwellenleiter ungestört durchläuft.The polarization splitter according to the invention can be dimensioned so that the TE mode couples over and the TM mode passes through the rib waveguide undisturbed, and so that the TM mode couples over and the TE mode passes through the rib waveguide undisturbed.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
in einer perspektivischen Prinzipdarstellung den gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiter mit der zweistufigen Rippe des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers,
Figur 2
ausschnitthaft einen Querschnitt durch den Rippenwellenleiter mit zweisufiger Rippe eines konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers, und
Figur 3
in perspektivischer Darstellung das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Polarisationsteilers.
The invention is explained in more detail with reference to the figures in the following description. Show it:
Figure 1
the basic rib waveguide with the two-stage rib of the polarization splitter according to the invention,
Figure 2
detail of a cross section through the rib waveguide with two-stage rib of a specific embodiment of the polarization splitter according to the invention, and
Figure 3
in a perspective view the embodiment of the polarization splitter according to the invention.

In der Figur 1 ist das Substrat mit 1 bezeichnet. Unter der Oberfläche 10 dieses Substrats 1 ist eine flächenartige wellenleitende Schicht 20 ausgebildet. Auf der Oberfläche 10 ist über der wellenleitenden Schicht 20 eine gleichmäßig gekrümmt verlaufende Rippe 21 mit zweistufigem Profil ausgebildet, die zusammen mit der wellenleitenden Schicht 20 den gekrümmt verlaufenden Wellenleiter 2 definiert.In FIG. 1, the substrate is designated 1. A surface-like wave-guiding layer 20 is formed under the surface 10 of this substrate 1. A uniformly curved rib 21 with a two-stage profile is formed on the surface 10 above the wave-guiding layer 20 and, together with the wave-guiding layer 20, defines the curved waveguide 2.

Die Rippe 21 mit zweistufigem Profil weist eine untere erste Stufe 210 mit einer vom Krümmungsmittelpunkt der gekrümmt verlaufenden Rippe 21 abgekehrten Außenkante 211 und einer diesem Krümmungsmittelpunkt M zugekehrten Innenkante 212 und einer Breite W zwischen der Außenkante 211 und der Innenkante 212 sowie eine auf der ersten Stufe aufgebrachten zweiten Stufe 213 mit einer vom Krümmungsmittelpunkt abgekehrten Außenkante 214 und einer diesem Krümmungsmittelpunkt zugekehrten Innenkante 215 auf, wobei die Außenkante 214 der zweiten Rippe 213 in radialer Richtung r einen Abstand B von der Außenkante 211 der ersten Stufe 210 aufweist.The rib 21 with a two-step profile has a lower first step 210 with an outer edge 211 facing away from the center of curvature of the curved rib 21 and an inner edge 212 facing this center of curvature M and one Width W between the outer edge 211 and the inner edge 212 and also a second step 213 applied on the first step with an outer edge 214 facing away from the center of curvature and an inner edge 215 facing this center of curvature, the outer edge 214 of the second rib 213 being a distance in the radial direction r B from the outer edge 211 of the first step 210.

Wählt man die Brechzahlsprünge n₁ und n₂ an den Außenkanten 211 und 214 der ersten und zweiten Stufe 210 bzw. 213 und die Breite W der ersten Stufe ausreichend groß, wird die Wellenführung im Rippenwellenleiter 2 durch diese Außenkanten 211 und 214 der Rippe 21 allein bestimmt. Der Einfluß der zwei Innenkanten 212 und 215 der Rippe 21 kann in diesem Fall vernachlässigt werden. Als Dimensionierungsanleitung kann gelten: (Δn₁)²+(Δn₂)² ist sehr groß gegenüber n₁²-β² gewählt und die Breite W der ersten Stufe 210 ist größer als r₀-(β/n₁k₀) wobei n₁ die Brechzahl des Materials der zweiten Stufe 213, β die Phasenkonstante einer Gesamtfeldverteilung des im Wellenleiter geführten Lichts k₀ = 2 π/λ die Vakuumwellenzahl und r₀ den Krümmungsradius des Rippenwellenleiters 2 bedeutet.If you choose the jumps in refractive index n₁ and n₂ on the outer edges 211 and 214 of the first and second stages 210 and 213 and the width W of the first stage are sufficiently large, the waveguide in the rib waveguide 2 is determined by these outer edges 211 and 214 of the rib 21 alone. The influence of the two inner edges 212 and 215 of the rib 21 can be neglected in this case. As a dimensioning guide can apply: (Δn₁) ² + (Δn₂) ² is chosen very large compared to n₁²-β² and the width W of the first stage 210 is greater than r₀- (β / n₁k₀) where n₁ is the refractive index of the material of the second stage 213 , β is the phase constant of an overall field distribution of the light guided in the waveguide k₀ = 2 π / λ is the vacuum wave number and r₀ is the radius of curvature of the fin waveguide 2.

Wegen des großen effektiven Brechzahlsprungs an den Außenkanten 211 und 214 der Rippe 21 ist der Strahlungsverlust der Wellenführung an diesen Außenkanten 211 und 214 zu vernachlässigen.Because of the large effective jump in refractive index at the outer edges 211 and 214 of the rib 21, the radiation loss of the wave guide at these outer edges 211 and 214 is negligible.

Durch Variation des Krümmungsradius r₀ des radialen Abstandes B zwischen den Außenkanten 211 und 214 und des Brechzahlsprunges Δn₁ kann beispielsweise bei konstantem Δn₁+Δn₂ eine Polarisationsteilerkonfiguration durch zwei Brechzahlüberhöhungen an den Außenkanten 211 und 214 für eine Polarisationsrichtung, beispielsweise die TE-Polarisation eingestellt werden. Die Bogenlänge L des Rippenwellenleiters 2 läßt sich näherungsweise zu r₀/(β₀-β₁) berechnen, wobei β₀ und β₁ die Phasenkonstante eines im Wellenleiter 2 geführten nullten und ersten Supermodes ist.By varying the radius of curvature r₀ of the radial distance B between the outer edges 211 and 214 and the refractive index jump Δn₁, for example at constant Δn₁ + Δn₂, a polarization splitter configuration can be set by two excessive refractive indexes on the outer edges 211 and 214 for a polarization direction, for example the TE polarization. The arc length L of the rib waveguide 2 can be approximately calculated to r₀ / (β₀-β₁), with β₀ and β₁ the phase constant of a zero and guided in the waveguide 2 first supermodes is.

Ein bei den Innenkanten 212 und 215 des Ripenwellenleiters 2 eingekoppelter Wellenleitermode wird nach Ausbreitung über die Bogenlänge bei den Außenkanten 211 und 214 des Rippenwellenleiters 2 austreten. Für die andere Polarisationsrichtung, im Beispiel die TM-Polarisation, ist der Rippenwellenleiter 2 wegen anderer effektiver Brechzahlen für diese Polarisationsrichtung verstimmt, d.h. es findet keine Überkopplung von Licht zwischen den Außenkanten 214 und 211 der Rippe 21 mit zweistufigem Profil statt.A waveguide mode which is coupled in at the inner edges 212 and 215 of the ribbed waveguide 2 will emerge at the outer edges 211 and 214 of the ribbed waveguide 2 after propagation over the arc length. For the other polarization direction, in the example the TM polarization, the rib waveguide 2 is detuned due to other effective refractive indices for this polarization direction, i.e. there is no coupling of light between the outer edges 214 and 211 of the rib 21 with a two-stage profile.

Demnach lassen sich mit dem gekrümmten Rippenwellenleiter 2 elektromagnetische Felder unterschiedlicher Polarisationsrichtung räumlich auf eine Distanz trennen, die durch den Abstand B zwischen den beiden Außenkanten 211 und 214 der Rippe 21 mit zweistufigem Profil bestimmt ist.Accordingly, the curved rib waveguide 2 can be used to spatially separate electromagnetic fields of different polarization directions at a distance which is determined by the distance B between the two outer edges 211 and 214 of the rib 21 with a two-stage profile.

Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 besteht das Substrat aus InP mit einer Brechzahl n = 3,164. Die wellenleitende Schicht 20 besteht aus GaInAsP mit einer Gap-Wellenlänge λg = 1,3 µm und einer Brechzahl n = 3,399. Auf der wellenleitenden Schicht 20 ist eine Ätzstoppschicht aus GaInAsP mit einer Gap-Wellenlänge λg = 1,05µm und einer Brechzahl n von 3,241 aufgebracht, welche die erste Stufe 210 mit der Außenkante 211 definiert. Dazu hat die Ätzstoppschicht im Bereich der ersten Stufe 210 beispielsweise eine Dicke von 0,3 µm, während sie außerhalb des Bereiches der Stufe 210 nur eine Dicke von 0,1 µm aufweist.In the specific exemplary embodiment according to FIG. 2, the substrate consists of InP with a refractive index n = 3.164. The wave-guiding layer 20 consists of GaInAsP with a gap wavelength λ g = 1.3 μm and a refractive index n = 3.399. An etching stop layer made of GaInAsP with a gap wavelength λ g = 1.05 μm and a refractive index n of 3.241 is applied to the wave-guiding layer 20, which defines the first step 210 with the outer edge 211. For this purpose, the etching stop layer in the area of the first step 210 has a thickness of 0.3 μm, for example, while outside the area of the step 210 it only has a thickness of 0.1 μm.

Auf der Ätzstoppschicht ist im Bereich der Rippe 210 eine Schicht aus InP mit der Brechzahl n = 3,164 aufgebracht, welche beispielsweise eine Dicke von 1,3 µm aufweist und die zweite Stufe 213 der Rippe 21 mit zweistufigem Profil definiert. Der radiale Abstand B zwischen der Außenkante 214 und der Außenkante 211 der Rippe 21 ist beispielsweise 4 µm gewählt. Der Krümmungsradius r₀ des Rippenwellenleiters 2 beträgt beispielsweise 1,1 mm und seine Bogenlänge L beträgt mindestens 300 µm.A layer of InP with a refractive index n = 3.164 is applied to the etch stop layer in the area of the rib 210, which layer has a thickness of 1.3 μm, for example, and defines the second step 213 of the rib 21 with a two-step profile. The radial distance B between the outer edge 214 and the outer edge 211 of the rib 21 is, for example, 4 μm. The radius of curvature r₀ of the ribbed waveguide 2 is, for example, 1.1 mm and its arc length L is at least 300 μm.

Mit dem derart bemessenen Rippenwellenleiter lassen sich die TE- und TM-Polarisation gemischt polarisierten Lichts der Wellenlänge λ = 1,55 µm räumlich voneinander trennen, wobei das TM-polarisierte Licht im wesentlichen ungestört im Wellenleiter 2 geführt wird, während das TE-polarisierte Licht zur Außenkante 211 der ersten Stufe 210 der Rippe 21 überkoppelt. Zur vollständigen Überkopplung ist mindestens die Bogenlänge L = 300 µm des gekrümmten Rippenwellenleiters 2 erforderlich.With the rib waveguide dimensioned in this way, the TE and TM polarization of mixed-polarized light of the wavelength λ = 1.55 μm can be spatially separated from one another, the TM-polarized light being guided essentially undisturbed in the waveguide 2, while the TE-polarized light coupled to the outer edge 211 of the first step 210 of the rib 21. For complete coupling, at least the arc length L = 300 μm of the curved rib waveguide 2 is required.

Die wellenleitende Schicht 2 aus GaInAsP der Dicke 0,4 µm, die Ätzstoppschicht aus GaInAsP und die darauf aufgebrachte Schicht aus InP lassen sich auf einfache Weise epitaktisch herstellen. Die im Beispiel nach Figur 2 angegebenen Ätztiefen sind nach den oben angegebenen Regeln ausgewählt, die übrigen Parameter entsprechen typischen Abmessungen der integrierten Optik.The wave-guiding layer 2 made of GaInAsP with a thickness of 0.4 μm, the etching stop layer made of GaInAsP and the layer made of InP applied thereon can be produced epitaxially in a simple manner. The etching depths given in the example according to FIG. 2 are selected according to the rules given above, the other parameters correspond to typical dimensions of the integrated optics.

In der Figur 2 sind auch die effektive Brechzahl neff für das TE-polarisierte und das TM-polarisierte Licht im Bereich unter der zweiten Stufe 213, im Bereich zwischen der Außenkante 214 der zweiten Stufe 213 und der Außenkante 211 der ersten Stufe 210 sowie außerhalb der Rippe 21 mit zweistufigem Profil angegeben.FIG. 2 also shows the effective refractive index n eff for the TE-polarized and TM-polarized light in the area under the second step 213, in the area between the outer edge 214 of the second step 213 and the outer edge 211 of the first step 210 and outside the rib 21 indicated with a two-stage profile.

Die Figur 3 zeigt das Ausführungsbeispiel nach Figur 2, wobei an den gekrümmten Rippenwellenleiter 2 mit der Rippe 21 mit zweistufigem Profil an einer eingangsseitigen Stirnfläche 23 ein Einkoppelwellenleiter 3 und an einer ausgangsseitigen Stirnfläche 24 des Rippenwellenleiters 2 zwei Auskoppelwellenleiter 4 und 5 angekoppelt sind, wobei ein Auskoppelwellenleiter 4 im Bereich der zweiten Stufe 213 angekoppelt ist und zum Auskoppeln des TM-polarisierten Lichts dient, während der andere Auskoppelwellenleiter 5 im Bereich der ersten Stufe 210 angekoppelt ist und zum Auskoppeln des vom TM-polarisierten Licht räumlich getrennten TE-polarisierten Lichts dient.FIG. 3 shows the exemplary embodiment according to FIG. 2, wherein a coupling-in waveguide 3 and two coupling-out waveguides 4 and 5 are coupled to the curved rib waveguide 2 with the rib 21 with a two-stage profile on an input-side end face 23, and two coupling-out waveguides 4 and 5, one at a time Outcoupling waveguide 4 is coupled in the area of the second stage 213 and is used for outcoupling the TM-polarized light during the other coupling-out waveguide 5 is coupled in the area of the first stage 210 and is used for coupling out the TE-polarized light spatially separated from the TM-polarized light.

Der Einkoppelwellenleiter 3 ist durch eine in der Ebene der zweiten Stufe 213 ausgebildete Rippe 31 definiert. Der Auskoppelwellenleiter 4 ist auf ähnliche Weise durch eine in der Ebene der zweiten Stufe 213 ausgebildete Rippe 41 definiert. Der Auskoppelwellenleiter 5 ist durch eine in der Ebene der ersten Stufe 210 ausgebildete Rippe 51 definiert. Die Feldverteilung des im Auskoppelwellenleiter 4 geführten TM-polarisierten Lichts ist durch den Bereich 40 angedeutet, während die Feldverteilung des im Auskoppelwellenleiter 5 geführten TE-polarisierten Lichts durch den Bereich 50 angedeutet ist. Die Breite der Rippen 31, 41 bzw. 51 kann im Vergleich zu B = 4 µm beispeilsweise 2 µm sein.The coupling-in waveguide 3 is defined by a rib 31 formed in the plane of the second stage 213. The output waveguide 4 is similarly defined by a rib 41 formed in the plane of the second stage 213. The coupling-out waveguide 5 is defined by a rib 51 formed in the plane of the first stage 210. The field distribution of the TM-polarized light guided in the coupling-out waveguide 4 is indicated by the region 40, while the field distribution of the TE-polarized light guided in the coupling-out waveguide 5 is indicated by the region 50. The width of the ribs 31, 41 and 51 can be, for example, 2 µm compared to B = 4 µm.

Claims (1)

Integriert optischer Polarisationsteiler, gekennzeichnet durch einen auf einem Substrat (1) integrierten, gekrümmt verlaufenden Rippenwellenleiter (2) mit einer wellenleitenden Schicht (20) und einer auf oder über der wellenleitenden Schicht (20) ausgebildeten, gekrümmt verlaufenden Rippe (21) mit zwei zweistufigem Profil.Integrated optical polarization splitter, characterized by a curved rib waveguide (2) integrated on a substrate (1) with a waveguiding layer (20) and a curved rib (21) formed on or above the waveguiding layer (20) with two two-stage Profile.
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